Các nhà nghiên cứu của UGA đã phát triển phương pháp cải tiến cây trồng

William Jordan (trái) và Lexiang Ji  quan sát một trong nhiều bộ Arabidopsis thaliana, được sử dụng để nghiên cứu kỹ thuật nhân giống cây trồng mới.

Kỹ thuật sử dụng ADN của chính cây trồng để tạo ra những giống cây trồng có khả năng chống chịu hạn và bệnh tật tốt.

Một nhóm các nhà nghiên cứu thuộc trường Đại học Georgia đã phát triển một cách mới để tạo ra các giống cây có đặc điểm tốt hơn. Bằng cách đưa một protein trên người vào cây mô hình Arabidopsis thaliana, các nhà nghiên cứu đã phát hiện ra rằng chúng có thể kích hoạt một cách có chọn lọc các gen đã im lặng hiện diện trong cây.

Sử dụng phương pháp này để gia tăng tính đa dạng trong quần thể thực vật và có thể tạo ra các giống cây có khả năng chịu được hạn hán hoặc bệnh tật tốt hơn. Các nhà nghiên cứu đã bắt đầu thử nghiệm kỹ thuật này trên ngô, đậu nành và lúa. Các kết quả nghiên cứu này đã đăng trên tạp chí Nature Communications.

Dự án nghiên cứu này được thực hiện bởi Lexiang Ji, một nghiên cứu sinh về tin sinh học và William Jordan, một nghiên cứu sinh  về di truyền học. Phương pháp mới mà họ khám phá, được biết đến như epimutagenesis, sẽ làm cho việc nhân giống các loài thực vật một cách đa dạng hơn, điều mà các kỹ thuật truyền thống không thể làm được.

"Trong quá khứ việc lại tạo đã được thực hiện thông qua chọn  giống truyền thống. Bạn lấy một cây, lai nó với một cây khác có đặc tính mà bạn muốn để tạo ra một cây con mang đặc tính tốt ", Jordan nói."Vấn đề là  việc nhận ra được một cá nhân có tất cả các đặc điểm mà bạn muốn và không có những đặc điểm mà bạn không muốn. Nó rất khó. Với kỹ thuật mới của chúng tôi, bạn có thể thay đổi cách gen được bật và tắt trong cây mà không cần phải đưa ra một bộ gen khác nào từ cha mẹ".

Ý tưởng cho phương pháp phát triển ban đầu từ việc làm trong phòng thí nghiệm với giáo sư Robert Schmitz của khoa di truyền, tác giả tham gia vào nghiên cứu này. Trong phòng thí nghiệm của mình, các nhà khoa học đang nghiên cứu DNA methyl hóa, kiểm soát sự biểu hiện các tính trạng di truyền và tạo ra các bản đồ cho biết DNA methyl hóa nằm ở nhiều loài thực vật bao gồm cả cây trồng. Khi DNA methyl hóa được loại bỏ, các nhà nghiên cứu nhận thấy rằng họ có thể chọn lọc khởi động gen đã im lặng trước đó trong bộ gen cơ bản của cây.

Chúng tôi đã thấy nhiều gen bị ức chế bởi sự methyl hóa DNA và rất tò mò về cơ chế này ", Schmitz nói. "Có rất nhiều cuộc thảo luận về lý do tại sao chúng tồn tại, nhưng thực tế là chúng đã hiện diện ở trong cây. Vì vậy, chúng tôi tự hỏi, làm thế nào chúng ta có thể tận dụng chúng? Chúng ta hãy sử dụng cây trồng đã có ở ngoài đồng ruộng và khởi động một số gen đã im lặng để tạo ra sự biến đổi đặc điểm.

Để khởi động những gen ngủ đông hoặc im lặng này, các nhà nghiên cứu đưa một enzyme trên người, gọi là ten–eleven translocation enzyme, vào cây trồng bằng cách sử dụng vi khuẩn biến đổi đặc biệt làm vector vận chuyển. Việc chuyển protein này cho phép các nhà nghiên cứu loại bỏ methyl hóa của DNA và do đó khởi động gen đã im lặng trước đó.

Việc tìm ra cách tốt nhất để đưa protein vào thực vật là một quá trình thử nghiệm và sai sót. Với kinh nghiệm của Ji về tin sinh học, các nhà nghiên cứu có thể xem xét các tập dữ liệu lớn về thử nghiệm của họ và đưa ra quyết định làm thế nào để tiến hành dự án tốt nhất.

"Dữ liệu đã thực sự giúp chúng tôi động não và phối hợp những gì chúng ta nên làm tiếp theo", Ji nói. "Điều này đặc biệt quan trọng khi bắt đầu dự án vì chúng tôi không biết những gì sẽ xảy ra với kỹ thuật mới này".

"Hàng ngàn năm trước bạn đã trồng hàng trăm cây và một trong số chúng thực sự tốt vì vậy bạn loai bỏ những thế hệ của cây trông không mang đặc điểm tốt. Tuy nhiên, làm như vậy, bạn đã thu hẹp sự đa dạng di truyền cho đến khi chúng cơ bản là rất, rất giống nhau", Jordan nói. "Mặc dù điều đó có lợi cho năng suất hoặc các đặc tính của cây trồng mà bạn có thể muốn, nhưng nếu có một sự căng thẳng xảy đến, rằng chúng không thích nghi tốt bởi vì tất cả chúng đều tương tự như vậy, tất cả chúng sẽ đáp ứng theo cùng một cách. Điều đó tạo ra giống cây trồng dễ bị tổn thương.

"Nếu cây trồng không có sự khác biệt di truyền để đáp ứng, thì nó có thể thực sự bị biến mất qua các vụ mùa", Schmitz nói thêm. "Đây không phải là vị cứu tinh, nhưng đó là một chiến lược thay thế chưa từng được thử nghiệm trước đó. Ý tưởng là tiếp cận các gen mà mọi người chưa nghiên cứu bởi vì chúng không được biểu hiện nhưng chúng có mặt ở đó. Chúng tôi nghĩ rằng phương pháp này để kích hoạt lại các gen đã im lặng có thể đem đến sự gia tăng đa dạng di truyền và có thể hữu ích cho các ứng dụng công nghệ sinh học".

Bùi Anh Xuân theo Uga.edu